Gunn Diode: Bài học diode vi sóng
Diode Gunn tạo thành một phương pháp dễ dàng tạo ra tín hiệu vi sóng bằng cách sử dụng một phần tử diode duy nhất.
Điốt Gunn đã có mặt trong nhiều năm và chúng tạo thành một phương pháp rất hiệu quả để tạo ra tín hiệu vi sóng ở bất kỳ đâu từ khoảng 1 GHz đến tần số có thể là 100 GHz.
Điốt Gunn còn được gọi là thiết bị chuyển điện tử, TED. Mặc dù được gọi là một diode, các thiết bị không có mối nối PN. Thay vào đó, thiết bị sử dụng một hiệu ứng được gọi là hiệu ứng Gunn (được đặt theo tên của người phát hiện, JB Gunn).
Mặc dù diode Gunn thường được sử dụng để tạo ra tín hiệu vi sóng RF, nhưng diode Gunn cũng có thể được sử dụng cho một bộ khuếch đại trong cái có thể được gọi là bộ khuếch đại điện tử chuyển giao hoặc TEA.
Vì điốt Gunn dễ sử dụng, chúng tạo thành một phương pháp tương đối thấp để tạo ra tín hiệu vi sóng RF, thường được gắn trong ống dẫn sóng để tạo thành một khoang cộng hưởng đơn giản.
Biểu tượng diode Gunn
Có nhiều biểu tượng diode Gunn có thể được sử dụng trong sơ đồ mạch. Có thể biểu tượng điốt Gunn được sử dụng rộng rãi nhất sử dụng hai hình tam giác được điền đầy với các điểm chạm vào được sử dụng như hình dưới đây.
Kiến thức cơ bản về diode Gunn
Diode Gunn là một thành phần duy nhất – mặc dù nó được gọi là diode, nhưng nó không chứa điểm nối diode PN. Diode Gunn hoặc thiết bị chuyển điện tử có thể được gọi là diode vì nó có hai điện cực.
Hoạt động của diode Gunn phụ thuộc vào thực tế là nó có điện trở âm được kiểm soát điện áp – điều này phụ thuộc vào thực tế là khi đặt một điện áp qua thiết bị, hầu hết điện áp xuất hiện trên vùng hoạt động bên trong. Vùng bên trong này đặc biệt mỏng và điều này có nghĩa là gradient điện áp tồn tại trong vùng này cực kỳ cao.
Thiết bị thể hiện một vùng kháng âm trên đường cong V / I của nó như được thấy bên dưới. Vùng điện trở âm này cho phép diode Gunn khuếch đại tín hiệu, cho phép nó được sử dụng trong các bộ khuếch đại và bộ dao động. Tuy nhiên nó là bộ dao động diode Gunn được sử dụng phổ biến nhất.
Vùng điện trở âm này có nghĩa là dòng điện trong diode tăng lên trong vùng điện trở âm khi điện áp giảm – nghịch đảo của hiệu ứng bình thường trong bất kỳ phần tử điện trở dương nào khác. Sự đảo pha này cho phép diode Gunn hoạt động như một bộ khuếch đại và một bộ dao động.
Cách một diode Gunn hoạt động như một bộ dao động
Trong khi điốt Gunn có vùng điện trở âm, thật thú vị khi xem thêm một chút về cách điều này xảy ra và cách nó hoạt động như một bộ dao động.
Ở tần số vi sóng, người ta thấy rằng hoạt động động của diode kết hợp các yếu tố do độ dày của vùng hoạt động.
Khi điện áp trên vùng hoạt động đạt đến một điểm nhất định, một dòng điện được khởi tạo để truyền qua vùng hoạt động. Trong thời gian khi xung hiện tại di chuyển qua vùng hoạt động, gradien điện thế giảm xuống ngăn cản hình thành xung tiếp theo. Chỉ khi xung đã chạm đến phía xa của vùng hoạt động thì gradien tiềm năng mới tăng lên, cho phép tạo ra xung tiếp theo.
Có thể thấy rằng thời gian cần thiết để xung dòng điện đi qua vùng hoạt động quyết định phần lớn đến tốc độ tạo ra xung dòng điện. Chính điều này quyết định tần suất hoạt động.
Để xem điều này xảy ra như thế nào, cần phải xem xét nồng độ điện tử trên toàn vùng hoạt động. Trong điều kiện bình thường, nồng độ của các điện tử tự do sẽ như nhau bất kể khoảng cách trên vùng diode hoạt động. Tuy nhiên, một sự nhiễu loạn nhỏ có thể xảy ra do tiếng ồn từ dòng chảy hiện tại, hoặc thậm chí tiếng ồn bên ngoài – dạng tiếng ồn này sẽ luôn hiện diện và đóng vai trò là mầm mống cho dao động. Điều này phát triển khi nó đi qua vùng hoạt động của diode Gunn.
Sự gia tăng các điện tử tự do trong một khu vực làm cho các điện tử tự do trong khu vực khác giảm xuống tạo thành một dạng sóng.
Đỉnh sẽ đi ngang qua diode dưới tác dụng của điện thế trên diode và lớn dần khi nó đi ngang qua diode do điện trở âm.
Có thể thấy manh mối về lý do của hành động bất thường này nếu các đường cong điện áp và dòng điện được vẽ cho một diode bình thường và một diode vi sóng. Đối với một diode bình thường, dòng điện tăng theo điện áp, mặc dù mối quan hệ không phải là tuyến tính. Mặt khác, dòng điện của một diode Gunn bắt đầu tăng lên, và khi đã đạt đến một điện áp nhất định, nó bắt đầu giảm trước khi tăng trở lại. Vùng mà nó rơi được gọi là vùng kháng cự âm, và đây là lý do tại sao nó dao động.
Cấu tạo diode Gunn
Điốt Gunn được chế tạo từ một mảnh bán dẫn loại n. Các vật liệu phổ biến nhất là gali Arsenide, GaAs và Indium Phosphide, InP. Tuy nhiên, các vật liệu khác bao gồm Ge, CdTe, InAs, InSb, ZnSe và những vật liệu khác đã được sử dụng. Thiết bị chỉ đơn giản là một thanh kiểu n với n + địa chỉ liên lạc. Cần phải sử dụng vật liệu loại n vì hiệu ứng điện tử chuyển giao chỉ áp dụng cho các điện tử chứ không phải lỗ trống được tìm thấy trong vật liệu loại p.
Trong thiết bị có ba khu vực chính, có thể được gọi đại khái là khu vực trên cùng, giữa và dưới cùng.
Phương pháp phổ biến nhất để sản xuất điốt Gunn là phát triển và lớp biểu mô trên nền n + thoái hóa. Vùng hoạt động có độ dày từ vài micron đến vài trăm micron. Lớp hoạt động này có mức pha tạp từ 10 14 cm -3 đến 10 16 cm -3 – mức này thấp hơn đáng kể so với mức được sử dụng cho các khu vực trên và dưới của thiết bị. Độ dày sẽ thay đổi tùy theo tần suất yêu cầu.
Lớp n + trên cùng có thể được lắng đọng dạng biểu mô hoặc pha tạp bằng cách sử dụng phương pháp cấy ion. Cả khu vực trên và dưới của thiết bị đều được pha tạp nhiều để tạo ra chất liệu n +. Điều này cung cấp các khu vực có độ dẫn điện cao cần thiết cho các kết nối với thiết bị.
Các thiết bị thường được gắn trên đế dẫn điện mà kết nối dây được thực hiện. Phần đế cũng hoạt động như một bộ tản nhiệt rất quan trọng để loại bỏ nhiệt. Kết nối với đầu cuối khác của diode được thực hiện thông qua một kết nối vàng được đặt trên bề mặt trên cùng. Vàng được yêu cầu vì tính ổn định tương đối và độ dẫn điện cao.
Trong quá trình sản xuất, có một số yêu cầu bắt buộc để thiết bị thành công – vật liệu phải không có khuyết tật và nó cũng phải có mức độ pha tạp rất đồng đều.
Ưu điểm và nhược điểm của diode Gunn
Giống như bất kỳ dạng linh kiện nào, diode Gunn có một số ưu điểm và nhược điểm cần được xem xét khi xem xét các thành phần phù hợp cho một thiết kế mạch cụ thể.
Ưu điểm của diode Gunn
- Băng tần cao
- Độ tin cậy cao
- Chi phí sản xuất thấp
- Hiệu suất tiếng ồn khá (không sử dụng nguyên tắc tuyết lở).
- Điện áp hoạt động tương đối thấp
Nhược điểm của diode Gunn
- Hiệu suất thấp dưới khoảng 10 GHz
- Độ ổn định kém – tần số thay đổi theo độ lệch và nhiệt độ
- Nhiễu FM cao đối với một số ứng dụng
- Dải điều chỉnh nhỏ
Lịch sử diode Gunn
Diode Gunn được đặt theo tên của một nhà nghiên cứu tại IBM, người vào năm 1962 được cho là người đầu tiên nhận thấy hiệu ứng này.
Cơ chế đằng sau hiệu ứng điện tử được chuyển giao lần đầu tiên được Ridley và Watkins công bố trong một bài báo vào năm 1961. Công trình nghiên cứu khác được xuất bản bởi Hilsum vào năm 1962, và sau đó vào năm 1963 John Battiscombe. JB Gunn đã quan sát độc lập dao động điện tử được chuyển đầu tiên bằng cách sử dụng chất bán dẫn Gali Arsenide, GaAs.
Điốt Gunn cung cấp một phương pháp dễ dàng và hữu ích để tạo ra tín hiệu vi sóng. Chỉ đơn giản bằng cách tạo nhịp cho diode Gunn trong một hốc ống dẫn sóng cộng hưởng và đặt một điện áp vào diode, nó có thể tạo ra tín hiệu.
